鋼混組合板梁與裝配式T梁橋墩抗震性能對比研究

賀 煒

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼混組合結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)型式，眾所周知，混凝土具有很強(qiáng)的抗壓性能和較高的剛度，但其抗拉性能卻很低；而鋼材力學(xué)性能突出，強(qiáng)度高且耐久性好，但因一般均為薄壁結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性較差。鋼混組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了兩種材料各自的力學(xué)優(yōu)勢，使鋼材受拉、混凝土受壓，組合后共同承擔(dān)荷載，大大提高了材料的使用性能。大量的工程實(shí)例表明，組合結(jié)構(gòu)不僅具有良好的受力性能，而且繼承了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自在施工性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)點(diǎn)，因此可以說在綜合效益上具有強(qiáng)大的競爭力[1]。

1 概況

本文選取了某高速公路上常見的路基寬度26 m的雙向六車道橋梁作為研究對象，橋跨布置為4×40 m。上部結(jié)構(gòu)：鋼混組合板梁由4片工字型鋼主梁組成，每個鋼主梁由3塊鋼板焊接而成，梁高2 050 mm，橋面板厚250 mm；預(yù)應(yīng)力裝配式T梁由6片混凝土T梁組成，梁高為2 500 mm。上部結(jié)構(gòu)斷面如圖1、圖2所示。下部結(jié)構(gòu)：橋墩采用等截面矩形空心薄壁墩，截面見圖3所示，縱橋向?qū)挾菳根據(jù)墩高不同選擇；基礎(chǔ)：整體式矩形承臺接群樁基礎(chǔ)。

圖1 鋼混組合板梁橋斷面（單位：mm）

圖2 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁梁面

圖3 橋墩典型斷面(單位：cm)

2 模型建立

本文針對鋼混組合板梁橋抗震性能展開討論，通過有限元程序Midas對研究對象橋梁建立空間分析模型，鋼混組合板梁采用梁格模型，預(yù)應(yīng)力裝配式T梁采用單梁模型?？拐鸱治鲆?×40 m一聯(lián)橋?yàn)檠芯繉ο螅⒔撀?lián)前、后各聯(lián)橋梁，以考慮臨聯(lián)結(jié)構(gòu)及邊界的影響[2]。

裝配式T梁上部主梁采用C50混凝土，組合鋼板梁主梁采用Q345，橋面板采用C50混凝土；下部橋墩、蓋梁均采用C40混凝土；承臺、樁基采用C30混凝土。樁土作用按m法確定樁側(cè)土彈簧剛度，土的抗力系數(shù)m值在地震工況下一般取2～3倍的靜力值，根據(jù)地質(zhì)條件，m值取為20 000 kN/m4，[3]全橋有限元模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元模型

3 抗震分析

為了研究地震效應(yīng)對鋼混組合板梁橋和裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋的影響，選取了3條地震波進(jìn)行輸入，地震作用組合采用：順橋向地震+恒載和橫橋向地震+恒載兩種工況。3條地震波時程曲線如圖5～圖7所示。

圖5 波1時程曲線

圖6 波2時程曲線

圖7 波3時程曲線

3.1 橋墩內(nèi)力分析

各主墩地震效應(yīng)見表1～表4。

表1 鋼混組合板梁在順橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

表2 鋼混組合板梁在橫橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

分析表1、表2發(fā)現(xiàn)，各墩豎向軸力基本相當(dāng)，由于橋墩的橫向抗推剛度相對于縱向要大，因此順橋向地震效應(yīng)較橫橋向地震小許多。

表3 裝配式混凝土T梁在順橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

表4 裝配式混凝土T梁在橫橋向地震+恒載作用下效應(yīng)

分析表1～表4發(fā)現(xiàn)，由于裝配式混凝土T梁較鋼混組合板梁自重重許多，鋼混組合板梁橋下部地震效應(yīng)約為裝配式混凝土T梁的40%，從而可以減少下部工程規(guī)模，降低工程造價。

3.2 橋墩位移分析

在地震波作用下，橋墩墩頂位移量如表5、表6所示。

分析表5、表6可見，鋼混組合板梁橋地震作用下墩頂位移量相比混凝土T梁明顯減小，縱向降幅17%～41%，平均約30%；橫向降幅39%～55%，平均約45%。

表5 地震作用下墩頂縱向變形

表6 地震作用下墩頂橫向變形

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及鋼混組合板梁，從施工及上部材料用量上進(jìn)行對比。

表7 上部結(jié)構(gòu)材料及施工對比表

通過分析比較可以得出，組合鋼板梁鋼材用量大，但混凝土、鋼筋的用量遠(yuǎn)小于T型梁，每平米用量分別為T梁的50%、38%。并且全壽命周期成本優(yōu)勢較混凝土明顯，在現(xiàn)代橋梁建設(shè)的需求下，鋼混組合板梁由于受力性能好、工期短、施工便利，在40 m跨徑下是一個很好的結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)語

本文通過抗震分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個方面對鋼混組合板梁與裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論：

a）地震效應(yīng)方面 由于鋼混組合板梁自重較預(yù)制T梁輕很多，橋墩在地震作用下效應(yīng)明顯降低，墩底內(nèi)力約為裝配式T梁的40%，從而降低下部工程規(guī)模。

b）從主要材料指標(biāo)對比 綜合比較橋梁的上部結(jié)構(gòu)組成部分，盡管組合鋼板梁鋼材用量大，但是混凝土、鋼筋的用量遠(yuǎn)小于T型梁，綜合單價相比T梁低，且耐久性好，全壽命周期成本低，使得鋼混組合板梁在中小跨徑中具有較為明顯經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。